专利名称：一种短尾高强度铆钉连接副及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种机械、铁路用紧固件制品的制造方法，尤其涉及一种不可拆卸的短尾高强度铆钉连接副的制造方法。
背景技术：
长久以来，铁道、货车、桥梁等钢结构均广泛使用热铆的普通铆钉，其连接强度低，后期维护成本高，逐渐被螺栓连接副所取代。螺栓连接副强度高，夹紧力，拉脱力可控，应用范围日趋扩大，但其采用螺纹连接，自锁性能差，特别是在20世纪40年代第二次世界大战期间，航空母舰甲板紧固高强度螺栓，在飞机降落时产生松动，成为隐患，引人关注。高强度螺栓连接副虽然易于拆卸，但其在强烈振动冲击下易于松动，使其失去了连接的基本功能。美国哈克(Huck)公司研发出用环槽连接取代螺纹连接的哈克铆钉，解决了在震 动工作条件下永不松动问题。哈克铆钉，又名环槽铆钉，高强度铆钉，由铆钉和铆套两个零件组成，铆钉由钉杆和钉头组成。铆接时，先将铆钉插入被连接件的钉孔中，再从被连接件另一面将铆套套在铆钉锁紧槽上，然后用铆枪的枪口套在铆钉的拉槽上，并将枪口抵住铆套端面，再揿铆枪上按钮，铆枪即将铆钉的拉槽拉紧。同时，挤压模向前推进，将钉套内壁的金属材料挤压啮入铆钉的锁紧槽中，使二者铆合成一个整体件，永不松动，其具有操作方便，效率高，无噪声，抗震性能好等特点。20世纪60年代，军转民用，哈克铆钉扩大到钢结构和机械行业使用，其技术条件，除型式、尺寸外，铆钉的机械性能按美国标准ASTMA325(即国际标准IS0898 ·18 ·8级)，铆钉、铆套连接副的施工工程性能(夹紧力，拉脱力和剪切力)和随机检测要求，按美国标准US, MIL, P-23469的规定。由于专利及成套技术控制，此后几十年来，一直由美国哈克公司独家垄断国际市场，无竞争对手，是全球唯一的防松高强度铆钉供应商。1998年以后，我国开始引进美国哈克铆钉(高强度铆钉)用于铁路货车，替代高强度螺栓，防止因火车提速运行，在震动加剧螺栓易松动的大问题。但是，进口的哈克铆钉没有按照国际标准和美国标准供货，而是按照“专为中国市场提供的Huck紧固件标准”供货，不提供零件机械性能和施工工程性能(夹紧力、拉脱力、剪切力)数据。此外，哈克铆钉的主要代理商规定中国进口的哈克铆钉不得用于军工领域，这远远不能满足我国经济建设和国防建设(特别是航空母舰甲板紧固防松高强度铆钉)的需要。目前，国内对高强度铆钉也正在研究和开发，如公开号为CN 1807907A的中国发明专利公开了一种重型机件防松用的高强度铆钉连接副，由铆钉及铆套构成。其中，铆钉由钉头和杆身构成，杆身由主杆和钉尾构成，中间由断裂槽隔开，其上有均匀的环形沟槽。铆套为空心回转体，其内孔、套高与铆钉相配。专用铆接机(泵站、铆枪)将铆套内孔金属材料强行啮入铆钉锁紧环槽内，使两者结合为一整体件，永不松动。此铆钉连接副加工简单，但是其钉尾较长，造成钢材浪费。此外，此铆钉连接副无锁定装置，不能够保证在安装条件下定位平衡、稳定施工，影响安装质量，这种铆钉没有零件机械性能要求，也没有施工工程性能(夹紧力、拉脱力和剪切力)的要求，无法应用到重大工程上。
授权公告号为CN 101315092B的中国发明专利公开了一种高强度铆钉连接副及制造工艺，采用不锈钢0Crl7Ni2为原料制备铆钉，以不锈钢0Crl8Ni9为材料制备铆套，采用表面润滑处理，断裂槽精加工及成品表面镀Ni等新工艺，使铆接强度达到8级。此发明的铆钉及铆套均采用不锈钢作为原材料，价格昂贵，造价高。此外，制备的高强度铆钉连接副钉尾较长，浪费钢材，铆钉连接副在安装过程中无锁定装置，不能够保证在安装条件下的平衡、施工不稳定。
发明内容
本发明的首要目的是针对上述现有技术存在的问题，提供种供料方便、工艺简单，价格低廉，并且能够防止在安装条件下产生轴向幌动，保证铆接平稳施工的短尾高强度铆钉连接副的制造工艺。为了达到上述目的，本发明提供一种短尾高强度铆钉连接副的制造方法，包括如下步骤 I)制备铆钉，包括I. I)通过对圆柱状金属材料进行温镦、冷镦或冷挤压处理，形成具有钉头和杆身的铆钉；I. 2)对铆钉依次进行淬火和回火热处理；1.3)通过对已进行淬火和回火热处理的铆钉的杆身，进行精车或磨削处理，使其缩径成用于制造锁紧槽和拉槽的中径；I. 4)对所述中径杆身进行冷滚压处理，在其上制成具有不连续环状凹槽的锁紧槽和拉槽；I. 5)在锁紧槽和拉槽之间开出断裂槽；2)制备铆套，包括2. I)通过对圆柱状金属材料进行温镦、冷镦或冷挤压处理，形成标准铆套或法兰铆套；2. 2)对铆套进行热处理。本发明的制造方法还包括在所述步骤I. 5)之后执行的在锁紧槽外圆周上开出的用来定位套体的定位槽的步骤，以及在所述步骤2. I)之后执行的在套体内孔表面上压出与定位槽相匹配的凸缘的步骤，包括在铆套内孔表面与铆钉铣槽相匹配的凸缘。定位槽用于铆接安装时将铆套与铆钉锁定，使铆套在安装时相对铆钉固定，在安装条件下不会产生轴向幌动。在铆接安装时，铆套套在铆钉锁紧槽上，凸缘沿定位槽推进压紧，再将铆套转动一定角度，凸缘脱离定位槽，与铆钉环槽卡合，即可锁定安装位置。定位槽可以设在锁紧槽的外圆周任意位置上，与定位槽相匹配的凸缘相对应地设在铆套的内表面，定位槽与凸缘设置的位置使凸缘沿定位槽推进压紧并转动一定角度后，铆套正好位于铆钉锁紧槽上，以便使铆套在铆接时正好与锁紧槽挤压啮合。本发明中，定位槽设置在锁紧槽端部的外圆周上，而凸缘相对应地设置在铆套端部的内表面。本发明锁紧槽用于将铆套与铆钉锁紧，在铆套锁定在铆钉杆身后，铆枪挤压铆套，使铆套上的金属材料啮入铆钉杆身锁紧槽中，铆套与锁紧槽挤压铆合，铆钉和铆套成为一个整体件，永不松动。拉槽用于在拉断过程中将拉槽夹紧和固定。拉槽为短尾设计，长度为20-40mmo按设计和工艺要求，在锁紧槽与拉槽之间没有断裂槽，断裂槽呈V字形。本发明中，铆钉锁紧槽的公称直径大于拉槽的公称直径，铆套内孔的公称直径大于锁紧槽的么称直径。在制备铆钉过程，所采用的金属棒材为Crl7Ni2，20MnTiB或40CrMnMo。对铆钉进行淬火热处理的步骤包括Crl7Ni2不锈钢铆钉于氮气保护的电炉中加热温度为950_1050°C，保温I. 5-3小时后在油中冷却至室温。其中，淬火热处理的温度可以根据机械性能的要求，控制在950-1050°C，保温时间根据工件大小，控制在I. 5-3小时。对Crl7Ni2不锈钢铆钉进行回火热处理的步骤包括将经过淬火热处理的铆钉·在氮气保护电炉中，加热550-700°C，保温I. 5-3小时后，取出铆钉空冷或水冷至室温。其中，回火温度可以根据机械性能要求，控制在550-700°C，保温时间根据工件大小，控制在I. 5-3小时。特别是，当所采用的金属棒材为20MnTiB或40CrMnMo时，淬火热处理温度为850-9000C，回火温度为500-600°C，淬火和回火保温时间与不锈钢保温时间相同，但保护气
氛为甲醇裂化气。其中，当锁紧槽的公称直径彡22mm时，采用的圆柱状金属材料优选为20MnTiB ;当锁紧槽的公称直径> 22mm时，采用的圆柱状金属材料优选为40CrMnMo。本发明对碳钢铆套进行热处理为退火热处理，包括首先将铆套置于充满甲醇保护气的炉体中；加热到600-700°C，保温I. 5-3小时后，取出铆套空冷至室温。其中，退火热处理的温度，可以根据机械性能要求，控制在600-700°C，保温时间根据工件大小，控制在I. 5-3小时，使退火热处理后铆套的硬度HRB ( 80。特别是在制备铆套过程中所采用的圆柱状金属材料为15号钢或20号钢时，对铆套进行热处理为退火热处理。本发明对不锈钢铆套进行热处理是固溶处理，包括首先将铆套置于充满氮气的电炉中；加热到1000-1100°c，保温I. 5-3小时后，取出铆套水冷至室温。可根据需要进行多次固溶处理，使固溶处理后铆套的硬度HRB ( 90。特别是在制备铆套过程中所采用的金属棒材为0Crl8Ni9时，对铆套进行热处理为固溶处理。本发明进行热处理中的保护气根据材料的不同而不同，其中金属材料为不锈钢时，保护气氛为空分氮；其余钢材时，保护气为甲醇裂化气，使用氧探头使甲醇裂化气的碳势与圆柱状金属材料的含碳量保持一致。向对铆钉及铆套进行热处理的炉内充满保护气，以便将炉内的空气排净，从而防止在热处理过程中铆钉和铆套氧化，脱碳。本发明的高强度铆钉连接副的制造方法还包括对铆钉和铆套进行表面镀层防蚀处理，以及对铆接后的铆钉连接副进行表面涂层防蚀处理。本发明的短尾高强度铆钉连接副的制造方法具有以下优点I、本发明采用合金钢，低碳钢以及不锈钢作为铆钉与铆套的原材料，并根据不同材料的特性选择相应的热处理工艺及参数，不仅扩大了原材料的选用范围，而且降低了连接副制造成本。本发明各种原材料的铆钉和铆套在经过热处理后均具有优良的综合机械性能，符合国际标准ISO 898. 18. 8级的要求；2、本发明短尾高强度铆钉连接副的制造工艺在铆钉的锁紧槽上开出定位槽，并且在铆套的内孔表面上压出与定位槽相配合的凸缘，在进行铆接时，铆套上的凸缘沿定位槽推进压紧后，再转动一定角度即可锁定安装位置，铆套与铆钉可按照预定的安装位置进行挤压铆合，从而保证了铆钉连接副在铆接时安装精确，施工平稳，提高了铆接施工的质量，节约了人力资源及成本；3、本发明制备的短尾高强度铆钉连接副拉槽为短尾设计，其长度为20_40mm，仅是哈克铆钉的拉尾段长度的一半，从而有利于资源节约；此外，本发明采用热处理后冷滚压工艺，使铆钉锁紧槽上形成环状凹槽，可以显著地提高铆钉的疲劳寿命；4、本发明制备的高强度铆钉连接副施工工程性能可随时进行检测，并且达到美国标准US，MIL，P-23469的规定。此外，还可以根据需要对连接副进行表面防蚀处理。铆钉连 接副应用范围广泛，可以全方位地满足我国经济建设和国防建设的需要。
图I是铆钉的结构示意图；图2是铆钉锁紧槽和拉槽的环槽结构示意图；图3是图I的A-A剖示图；图4是铆套的结构示意图；图5是图4的左视图；图6是铆钉与铆套安装示意图。具体实施例方式下面结合具体实施例进一步描述本发明。本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。实施例II、铆钉的制备(I)制备钉头本实施例制备铆钉选用的材料为圆柱状金属材料20MnTiB，其公称直径为16mm ；通过温镦对圆柱状金属材料20MnTiB进行镦头，使其形成具有钉头I和杆身2的铆钉，可根据需要将钉头I制成半圆头、扁头、大圆头和沉头；在本实施例中除了温镦外，还可以采用冷镦对圆柱状金属材料进行加工成型；(2)淬火热处理将铆钉置于连续式网带淬火炉中，向网带炉中充满甲醇裂化气作为保护气氛，使用氧探头使甲醇裂化气的碳势与圆柱状金属材料的含碳量保持一致，以防止铆钉的氧化，脱碳，;将铆钉加热到900°C，保温2小时后，水冷至室温；淬火热处理使铆钉获得所需的马氏体组织，淬火热处理的温度可以根据机械性能要求控制在850-900°C。保温时间，根据工件的大小可控制在I. 5-3小时；淬火介质除了水夕卜,还可以使用油；(3)回火热处理将经过淬火热处理的铆钉置于连续式网带回火炉，向炉内充满甲醇裂化气作为保护气，使用氧探头使甲醇裂化气的碳势与圆柱状金属材料的含碳量保持一致；将炉体加热到500-600°C，保温2小时后，取出铆钉水冷却至室温；回火热处理使铆钉具有所需要的强度塑性和韧性；回火热处理的温度，可以根据机械性能要求控制在500-600°C，保温时间根据工件的大小可控制在I. 5-3小时；(4)精车、磨削处理 通过对回火后的杆身进行精车或磨削处理，形成锁紧槽5中径以及拉槽8中径；(5)冷滚压处理精车或磨削处理后的铆钉进行冷滚压处理，使锁紧槽5和拉槽8的表面上形成不连续的环状凹槽(如图2所示)，锁紧槽5用于将铆套与铆钉铆接，拉槽8用于在铆接过程中将拉槽夹紧和固定；杆身2自钉头I端分别形成光杆部4，锁紧槽5以及拉槽8，其中，拉槽8的长度为20-40mm ；本发明铆钉的拉槽8为短尾设计，其长度可根据具体需要设计为30mm ;光杆部4的长度可根据不同铆接厚度的要求进行确定；(6)精车处理在锁紧槽5与拉槽8之间进行精车加工处理，使锁紧槽5与拉槽8之间形成V字型断裂槽7 ；(7)铣削处理形成断裂槽7后，在锁紧槽5靠近断裂槽7的端部外圆周上进行铣加工，开出定位槽6(如图1-3所示)；(8)表面防蚀处理对形成定位槽6后的铆钉进行表面防蚀处理。2、铆套的制备(I)制备法兰本实施例制备铆套选用的材料为圆柱状金属材料15号钢，铆套3内孔的公称直径大于锁紧槽5的公称直径(16mm)；通过冷镦或温镦对圆柱状金属材料15号钢进行加工，使其形成具有法兰10和套体9的法兰铆套；在本实施例中除了冷镦、温镦外，还可以采用冷挤压对圆柱状金属材料进行加工；除了 15号钢外，20号钢也适用于本实施例；(2)压凸缘处理对套体9的内孔表面进行压凸缘处理，在套体9端部内孔表面上压出与锁紧槽5相匹配的凸缘11 (如图4、5所示)；(3)退火热处理将压出凸缘的铆套置于网带式连续炉中，向炉中充满甲醇裂化气作为保护气，使用氧探头使甲醇裂化气的碳势与圆柱状金属材料的含碳量保持致；将炉体加热到700°C，保温2小时后，取出铆套空冷至室温，此时铆套的硬度HRb ( 80 ；退火热处理用以降低铆套的硬度，提高塑性，以利后续塑性变形加工。退火热处理的温度，可以根据机械性能要求控制在600-700°C，保温时间，根据工件的大小可控制在I. 5-3小时；(4)表面防蚀处理对退火热处理后的 铆套进行表面防蚀处理。3、高强度铆钉连接副施工工程性能检测(I)安装铆套将铆钉穿过待连接的钢结构件后，将铆套套在铆钉的锁紧槽5上，铆套上的凸缘11沿定位槽6推进压紧，将铆套转动一定角度后即可锁定安装位置(如图6所示)；⑵铆接铆套安装锁定后，由专用的铆接机实施铆接工艺。铆枪的爪子，夹紧拉槽8，挤压模套住套体9并向前挤压，使套体9的内孔材料啮入到铆钉锁紧槽5中，使铆钉和铆套铆合成为一个整体，永不松动。断裂槽7被拉断，即完成铆接；(3)施工工程性能检测采用高强度铆钉连接副夹紧力检测仪(授权公告号为CN 100483092C)检测高强度铆钉连接副的夹紧力，检测后可无损拆卸并采用专用检测仪检测高强度铆钉连接副的拉脱力和剪切力；经检测，本实施例制备的高强度铆钉连接副的施工工程性能达到美国标准US，MIL, P-23469 的规定。实施例2在铆钉的制备过程中，除步骤(I)制备钉头中选用的材料为金属棒材40CrMnMo，其公称直径为22mm ;步骤(2)淬火热处理中热处理温度控制在800-900°C，保温时间为I. 5-3小时；步骤(3)回火热处理中热处理的温度控制在500-600°C，保温时间为I. 5-3小时；步骤(4)精车、磨削处理中，拉尾段的长度为30mm外，其余均与实施例I相同。经检测，本实施例制备的高强度铆钉连接副的施工工程性能达到美国标准US，MIL, P-23469 的规定。实施例3I、铆钉的制备(I)制备钉头本实施例制备铆钉选用的材料为圆柱状金属材料退火态Crl7Ni2，其公称直径为16mm ；通过温镦对圆柱状金属材料退火态Crl7Ni2进行加工，使其形成具有钉头I和杆身2的铆钉，可根据需要将钉头I制成半圆头、扁头、大圆头和沉头等形状；在本实施例中除了温镦外，还可以采用冷挤压对圆柱状金属材料进行处理；(2)淬火热处理将铆钉置于氮气保护的电炉中，加热到1000°C，保温2小时后，快速油冷至室温；本实施例中淬火热处理的温度可以根据机械性能要求，控制在950-1050°C ;保温时间根据工件大小控制在I. 5-3小时。
(3)回火热处理将经过淬火热处理的铆钉置于氮气保护的电炉中，加热至650°C，保温2小时后，油或水冷至室温；本实施例中回火热处理的温度，可以根据机械性能要求控制在650-700°C ;保温时间，根据工件大小控制在I. 5-3小时。本实施例中其它步骤，即步骤⑷精车、磨削处理；步骤(5)冷滚压处理；步骤(6)精车处理；步骤(7)铣加工处理；步骤(8)表面防蚀处理，均与实施例I相同，即制得本实施例的铆钉。2、铆套的制备(I)制备法兰
本实施例制备铆套选用的材料为圆柱状金属材料0Crl8Ni9，铆套3内孔的公称直径大于锁紧段5的公称直径(16_)。通过温镦对圆柱状金属材料0Crl8Ni9钢进行加工，使其形成具有套头10和铆套9的法兰铆套；在本实施例中，除了温镦外，还可以采用冷挤压对圆柱状金属材料加工成型；(2)压凸缘处理对套体9的内孔表面进行压凸缘处理，在套体9端部内孔表面上压出与定位槽6相匹配的凸缘11;(3)固溶处理将压出凸缘的铆套置于氮气保护电炉中，加热到1000°C，保温2小时后，空气或水冷至室温，铆套的硬度HRb ( 90 ；固溶处理起软化作用；固溶处理的温度，可以根据机械性能要求控制在950-1050°C ;保温时间，根据工件大小控制在I. 5-3小时；(4)表面防蚀处理对退火热处理后的铆套进行表面防蚀处理，即制得铆套。经检测，本实施例制备的高强度铆钉连接副的施工工程性能达到美国标准US，MIL, P-23469 的规定。
权利要求
1.种短尾高強度铆钉连接副的制造方法，其特征在于，包括如下步骤 1)制备柳钉，包括 1.1)通过对圆柱状金属材料进行温镦、冷镦或冷挤压处理，形成具有钉头(I)和杆身(2)的铆钉； I. 2)对铆钉依次进行淬火和回火热处理； 1.3)通过对已进行淬火和回火热处理铆钉杆身(2)进行精车或磨削处理，使所述杆身(2)缩径成用于制造锁紧槽(5)和拉槽(8)的中径； 1.4)对所述中径的杆身进行冷滚压处理，制成具有不连续环状凹槽的锁紧槽(5)和拉槽⑶； 1.5)在锁紧槽(5)和拉槽(8)之间开出断裂槽(7)； 2)制备铆套，包括 2.I)通过对圆柱状金属材料进行温镦、冷镦或冷挤压处理，形成具有套头(10)和套体(9)的铆套； 2. 2)对铆套进行热处理。
2.如权利要求I所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述步骤I.5)之后执行的在锁紧槽(5)外圆周上开出的用来定位套体(9)的定位槽￠)的步骤，以及在所述步骤2. I)之后执行的在套体(9)内孔表面上压出与定位槽(6)相匹配的凸缘(11)的步骤。
3.如权利要求I所述的制造方法，其特征在干，对铆钉进行淬火热处理的步骤包括 将铆钉置于封闭的充满保护气氛的电炉中； 将炉体加热到950-1050°C，保温I. 5-3小时后，取出铆钉； 将取出铆钉水冷或油冷至室温。
4.如权利要求I所述的制造方法，其特征在于，对铆钉进行回火热处理的步骤包括 将经过淬火热处理的铆钉置于封闭的充满保护气的炉体中； 将炉体加热到550-700°C，保温I. 5-3小时后，取出铆钉； 将取出铆钉空冷或水冷至室温。
5.如权利要求I所述的制造方法，其特征在干，对铆套进行热处理为退火热处理，包括 将铆套置于封闭的充满保护气的炉体中； 将炉体加热到600-700°C，保温I. 53小时后，取出铆套； 将取出铆套空冷至室温。
6.如权利要求I所述的制造方法，其特征在干，对铆套进行热处理为固溶处理，包括 将铆套置于封闭的充满保护气的炉体中； 将炉体加热到1000-1100°C，保温I. 5-3小时后，取出铆套； 将取出铆套水冷至室温。
7.如权利要求3-6中任所述的制造方法，其特征在于，所述圆柱状金属材料为不锈钢时，所述保护气为空分氮。
8.如权利要求3-6中任所述的制造方法，其特征在于，所述圆柱状金属材料为不锈钢之外的其余钢材吋，所述保护气为甲醇裂化气。
9.如权利要求I所述的制造方法，其特征在于，步骤I.I)中的圆柱状金属材料为Crl7Ni2，20MnTiB或40CrMnMo，步骤2. I)中的圆柱状金属材料为15号钢，20号钢或0Crl8Ni9o
10.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述套体(9)的凸缘(11)用来插入铆钉定位槽(6)内，以便随后由铆接机将套体(9)的内孔材料挤进铆钉的锁紧槽(5)内。
全文摘要
本发明公开了种短尾高强度铆钉连接副及具制造方法。通过对圆柱状金属材料进行加工，形成具有钉头和杆身的铆钉；接着对铆钉进行淬火和回火热处理；再对杆身进行精车或磨削处理，使杆身缩径成用于制造锁紧槽和拉槽的中径；然后对中径的杆身进行冷滚压处理，制成具有不连续环状凹槽的锁紧槽和拉槽；在锁紧槽和拉槽之间开出断裂槽，制得铆钉；对圆柱状金属材料进行处理，形成具有套头和套体的铆套；然后进行热处理，制得铆套。本发明制备的铆钉和铆套具有优良的综合机械性能，符合国际标准ISO 898.18.8级的要求，铆钉连接副的施工工程性能(夹紧力、拉脱力和剪切力)符合美国标准US，MIL，P-23469的要求。此外，工艺简单，成本较低，方便用户。
文档编号C21D9/00GK102840205SQ20121020893
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月21日 优先权日2011年6月22日
发明者彭亮生 申请人:彭亮生